一种用于合成香豆素类化合物的固体碱催化剂及其制备方法与流程

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种用于合成香豆素类化合物的固体碱催化剂的制备方法及其应用。

背景技术：

固体碱催化剂在有机反应中可用于催化加成反应(Michael加成反应、共轭加成反应、醇的加成反应和苯基炔烃亲核加成反应等)，催化缩合反应(羟酮缩合反应、Knoevenagel缩合反应)，催化异构化反应，催化酯交换反应，催化氨化与氢化反应。以固体碱作为催化剂可提供更多的环境友好催化反应体系。在固体碱催化反应中无需加化学计量的碱性化合物，减少废物；溶剂只要能溶解反应物和产物即可，甚至在无溶剂的情况下反应也可进行，大大增大了选择的余地；且固体碱分离后还能多次反复利用，使催化剂制备也实现了原子经济；另外，对有些反应只有固体碱催化剂才具有高活性和高选择性。

不同的固体碱催化剂的制备方法不同。碱土金属氧化物固体催化剂(MgO、CaO)多以其金属氢氧化物经热分解制备，但BeO和RaO由于分别有毒性和放射性而并没有对其进行研究；稀土氧化物由氢氧化物在空气中焙烧或高温真空中分解制备；氧化钛通常从TiCl₄或钛醇盐通过水解继而焙烧制备；混合氧化物由两种金属氧化物组合而成，混合氧化物用不同的方法制备，如共沉淀、溶胶-凝胶法、捏合法、浸渍、快速燃烧法、熔融混合物法等；负载型固体碱有负载碱金属化合物的金属氧化物(如Al₂O₃、碱金属氧化物等)和负载碱金属的金属氧化物和碳材料；有水滑石制备的混合氧化物，水滑石类材料的合成最常见的方法是共沉淀加上水热处理，为了得到颗粒大小均匀可控的样品，常常利用尿素水解进行均相沉淀的方法；经碱金属离子交换或负载碱金属的沸石，碱金属交换的沸石是弱碱，但如果沸石中加入超过了交换容量的碱金属离子则是强碱，在沸石中加入碱金属则碱性更强，超过负载碱金属氧化物沸石的碱性；接枝在固体表面的胺和铵离子等，最常用的方法是将含这些功能基团的硅烷偶联剂与氧化硅的羟基反应。

随着世界环保意识的增强以及绿色化学的发展，人们越来越重视环境友好的催化新工艺过程，特别是在固体酸催化剂取代液体酸催化剂，克服了设备腐蚀和环境污染等问题，并获得工业成功应用后，绿色环保的固体碱催化剂的研究将有很大的发展前景。

目前，从国内外发展趋势看，香豆素类衍生物的研究都在向香料和药理作用及一些特殊的功能方向发展，如杀虫剂、新的荧光材料、抗糖尿药类、抗菌素等。香豆素类衍生物的合成常采用Perkin反应、Pechmann反应、Wittig反应、Knoevenagel反应等。多数反应需要 在哌啶等有机碱催化剂作用下进行，一些有机碱类催化剂因毒性较大、环境污染严重等问题已被国家限制销售。因此，开发绿色环保的有机碱替代品将有着深远的研究及工业意义。

技术实现要素：

本发明解决了有机碱催化剂毒性大、污染环境等问题，公开了一种绿色环保用于合成香豆素类化合物的固体碱催化剂的制备方法及其应用。

为解决上述技术难题，本发明采用以下技术方案：

一种用于合成香豆素类化合物的固体碱催化剂，结构通式如下：

所述结构通式中R为H或CH₃。

一种固体碱催化剂的制备方法，将硅胶浸泡于盐酸溶液中预处理后，加入3-氯丙基三乙氧基硅烷，经干法制得氯丙基化硅胶，然后不经提纯直接加入有机碱的盐酸盐，通过干法完成固体碱硅胶的制备。

操作步骤如下：

(1)硅胶的预处理：以0.5-1.5g为一个重量份，以下重量份均以此为基准，取20重量份硅胶浸泡于15-25mL 6mol/L的盐酸溶液中48h，然后进行抽滤，抽滤过程中用蒸馏水反复洗涤6-7次，然后放入培养皿中于烘箱中160℃干燥8h；

(2)氯丙基化硅胶的制备：称取9重量份预处理的硅胶，置于研钵中，加入4.5-5.5mL 3-氯丙基三乙氧基硅烷，研磨均匀后，倒入培养皿，把培养皿放在烘箱中40-80℃干燥0.5-3h，完成氯丙基化硅胶的制备；

(3)固体碱催化剂的制备：称取3重量份的氯丙基化硅胶、0.45-0.55mmol有机碱盐酸盐和0.9-1.1mmol的醋酸钠加入研钵，滴加1.5-2.5mL乙醇后研磨均匀，倒入培养皿中于烘箱中40-80℃加热0.5-3h，取出后加入乙醇多次洗涤，抽滤，干燥，完成固体碱硅胶的制备。

所述步骤(3)中有机碱为哌嗪或N-甲基哌嗪。

一种用于合成香豆素类化合物的固体碱催化剂作为催化合成香豆素类化合物的应用。

本发明的有益效果在于：本发明公开了一种新的安全绿色环保的催化试剂来代替哌啶等有机碱催化剂催化合成香豆素类化合物。本发明制备的固体碱催化剂在反应后直接过滤与反应体系分开，并可循环使用，操作简单，反应时间短，效率高，代替了原有的无法循环使用的有机碱催化剂，为香豆素类衍生物的合成提供了安全绿色环保的合成方法。

附图说明

图1为氯丙基硅胶的红外光谱图。

图2为哌嗪硅胶的红外光谱图。

图3为N-甲基哌嗪硅胶的红外光谱图。

图4为0.1g哌嗪硅胶催化反应8h液相图。

图5为0.1gN-甲基哌嗪硅胶催化反应9h液相图。

具体实施方式

实施例1

1、硅胶的预处理

取20g柱层析硅胶浸泡于20mL 6mol/L的盐酸溶液中48h，然后抽滤，抽滤过程中用蒸馏水反复洗涤至滤液中检测不到Cl离子(约6—7遍)，放入培养皿中160℃烘箱中干燥8h。此过程中用盐酸溶液浸泡的目的是为了除去硅胶表面吸附的杂质。

2、氯丙基化硅胶的制备

称取9g预处理的硅胶，加入研钵中，加入3-氯丙基三乙氧基硅烷5mL，研磨均匀，放入培养皿中50℃烘箱加热4小时，其中每小时取出一次加入3mL无水乙醇并研磨均匀。取出，加入乙醇多次洗涤，抽滤，80℃干燥1h，得氯丙基化硅胶。

3、固体碱催化剂的制备

称取3g氯丙基化硅胶，哌嗪0.5mmol，2倍哌嗪摩尔数的醋酸钠加入研钵中，滴加2mL乙醇,研磨均匀，放于培养皿中60℃烘箱加热半小时，拿出倒入研钵加入2mL乙醇研磨，再放入培养皿中50℃烘箱加热0.5h.取出，加入乙醇洗涤多次，抽滤,60℃干燥1h，得哌嗪硅胶。

4、哌嗪催化剂的表征

取纯净的哌嗪硅胶催化剂约2mg，干燥的KBr约200mg，置于玛瑙研钵中，混合均匀， 研成粉末。取适量混合物转移至压片磨具中，加压成透明或半透明薄片，置于红外分光光度计中检测，测试范围4000-400cm^-1。氯丙基硅胶同上操作。得图1的红外图谱。如图所示，氯丙基硅胶的红外光谱图与硅胶的有明显区别，表明氯丙基已连接在了硅胶表面。

氯丙基硅胶的红外光谱分析：3448.27(O-H),1396.03(C-H)，1103.45(Si-O)，466.46(Si-O)cm^-1。

取纯净的哌嗪硅胶约2mg，干燥的KBr约200mg，置于玛瑙研钵中，混合均匀，研成粉末。取适量混合物转移至压片磨具中，加压成透明或半透明薄片，置于红外分光光℃计中检测，测试范围4000～400cm^-1。得图2的红外图谱。如图所示，哌嗪硅胶的红外光谱图与硅胶及氯丙基的有一定的区别，表面哌嗪已连接在了氯丙基硅胶表面。

哌嗪硅胶的红外光谱分析：3456.64(N—H,O-H),1406.39(C-H),1096.09(Si-O),466.46(Si-O)cm^-1。

实施例2

1、硅胶的预处理

取20g柱层析硅胶浸泡于20mL 6mol/L的盐酸溶液中48h，然后抽滤，抽滤过程中用蒸馏水反复洗涤至滤液中检测不到Cl离子(约6—7遍)，放入培养皿中160℃烘箱中干燥8h。此过程中用盐酸溶液浸泡的目的是为了除去硅胶表面吸附的杂质。

2、氯丙基化硅胶的制备

称取9g预处理的硅胶，加入研钵中，加入3-氯丙基三乙氧基硅烷5mL，研磨均匀，放入培养皿中50℃烘箱加热4小时，其中每小时取出一次加入3mL无水乙醇并研磨均匀。取出，加入乙醇洗涤多次，抽滤，70℃干燥1h，得氯丙基化硅胶。

3、固体碱催化剂的制备

称取3g氯丙基化硅胶，N-甲基哌嗪0.5mmol，2倍N-甲基哌嗪摩尔数的醋酸钠加入研钵中，滴加2mL乙醇,研磨均匀，放于培养皿中50℃烘箱加热半小时，拿出倒入研钵加入2mL乙醇研磨，再放入培养皿中60℃烘箱加热0.5h。取出，加入乙醇洗涤多次，抽滤,60℃干燥1h，得N-甲基哌嗪硅胶。

4、N-甲基哌嗪催化剂的表征

取纯净的N-甲基哌嗪硅胶约2mg，干燥的KBr约200mg，置于玛瑙研钵中，混合均匀，研成粉末。取适量混合物转移至压片磨具中，加压成透明或半透明薄片，置于红外分光光℃计中检测，测试范围4000-400cm^-1。得图3的红外图谱。如图所示，N-甲基哌嗪硅胶的红外光谱图与硅胶及氯丙基硅胶的有一定的区别，表面N-甲基哌嗪已连接在了氯丙基硅胶表面。

N-甲基哌嗪硅胶的红外光谱分析：3429.89(N-H，O-H),1406.39(C-H),1096.09(Si-O),475.65(Si-O)cm^-1。

实施例3固体碱催化剂的应用

1、哌嗪硅胶催化：在100mL圆底烧瓶中加入1mmol水杨醛，1.2mmol乙酰乙酸乙酯,0.1g哌嗪硅胶，加入5mL无水乙醇作溶剂，混合后磁力搅拌加热回流，每1h液相跟踪一次，直至反应结束。约8h反应结束。反应结束后趁热过滤出固体碱催化剂，用乙醇洗涤2-3次。收集滤出液旋蒸至少量液体，静置一段时间有固体析出，抽滤，石油醚洗涤，所得固体产物放60℃烘箱中干燥，称重。

图4的液相设置为甲醇水比例为4:1，流速设置为0.3，保留时间为12.058min的峰为水杨醛的峰，保留时间为11.528min的峰为产物乙酰基香豆素的峰。

2、N-甲基哌嗪硅胶催化：在100mL圆底烧瓶中加入1mmol水杨醛，1.2mmol乙酰乙酸乙酯,0.1gN-甲基哌嗪硅胶，加入5mL无水乙醇作溶剂，混合后磁力搅拌加热回流，每1h液相跟踪一次，直至反应结束。约9h反应结束。反应结束后趁热过滤出固体碱催化剂，用乙醇洗涤2-3次。收集滤出液旋蒸至少量液体，静置一段时间有固体析出，抽滤，石油醚洗涤，所得固体产物放60℃烘箱中干燥，称重。

图5的液相设置为甲醇水比例为4:1，流速设置为0.3，保留时间为12.093min的峰为水杨醛的峰，保留时间为11.553min的峰为产物乙酰基香豆素的峰。

称重计算各类固体碱催化剂催化反应所得产物结果如表1所示。

表1催化剂类型对反应的影响

3、哌嗪硅胶催化剂催化合成乙酰基香豆素工艺条件优化

通过催化3-乙酰基香豆素的合成对比了二种固体碱催化剂的活性，由表1可得出哌嗪硅胶的催化活性相对较高，以此选定哌嗪硅胶进行催化反应的工艺条件优化实验。

在100mL圆底烧瓶中加入1mmol水杨醛，1.2mmol乙酰乙酸乙酯，一定量的哌嗪硅胶，加入5mL无水乙醇作溶剂，混合后磁力搅拌加热回流，每1h液相跟踪一次(甲醇水比例为4:1，流速设置为0.3)，直至反应结束。反应结束后趁热过滤出固体碱催化剂，用乙醇洗涤2-3次。收集滤出液旋蒸至少量液体，静置一段时间有固体析出，抽滤，石油醚洗涤，所得固体产物放60℃烘箱中干燥，称重。

相同投料量和反应条件，改变哌嗪硅胶的用量，反应结果如表2所示。通过表2可得出1mmol水杨醛和1.2mmol乙酰乙酸乙酯反应，使用0.2g哌嗪硅胶催化剂且反应2h时反应效率最高。

表2催化剂的量对反应的影响

4、催化剂的循环使用

在100mL圆底烧瓶中加入1mmol水杨醛，1.2mmol乙酰乙酸乙酯,0.2g哌嗪硅胶，加入5mL无水乙醇作溶剂，混合后磁力搅拌，加热回流1-2小时，用HPLC跟踪检测至反应完全。反应结束后趁热过滤出固体碱催化剂，用乙醇洗涤2-3次。收集滤出液旋蒸至少量液体，静置一段时间有固体析出，抽滤，石油醚洗涤，所得固体产物放60℃烘箱中干燥，称重。将滤出的哌嗪硅胶收集干燥，按照上述实验重复利用4次。结果见表3。从表3可以看出，产率随固体碱催化剂的重复使用次数增加而有所降低，但降低幅度较小，循环使用4次后催化剂仍有较高的活性，因此该催化剂有较好的可循环使用性能。

表3催化剂的重复使用

5、结论：本实验过程经预实验探索出对合成乙酰基香豆素有催化活性的固体碱，然后通 过嫁接法接枝在硅胶表面制备成固体碱催化剂。通过实验比较出催化活性最高的固体碱催化剂-哌嗪硅胶，并进一步探索了哌嗪硅胶催化剂催化合成乙酰基香豆素工艺条件优化，得出1mmol水杨醛和1.2mmol乙酰乙酸乙酯反应，用0.2g哌嗪硅胶催化加热回流1-2h，得出最大产率的产物，并且催化剂重复使用4次仍保持较高的催化活性。控制最佳反应条件，探索固体碱催化剂哌嗪硅胶催化合成乙酰基香豆素类化合物的催化活性，并得出各产物的较高产率，证明了哌嗪硅胶对催化合成乙酰基香豆素类化合物有较高的活性。